(57)【要約】【課題】低温同時焼成プロセスに適用可能であって、体積小型化、高品質、高安定化の必要条件を満たす誘電ガラスセラミックス組成物、誘電ガラスセラミックス基板とその製造方法を提供する。【解決手段】誘電ガラスセラミックス組成物はセラミックス材料とBa-B-Si（バリウム−ホウ素−ケイ素）ガラス材料からなる。誘電ガラスセラミックス基板と、その製造方法も開示される。セラミックス材料は、例えば、チタン酸ストロンチウムセラミックス、或いは、商用誘電セラミックス粉末である。Ba-B-Siガラス材料とセラミックス材料は有機キャリアと混合され、プレモールドに成型される。プレモールドは低温焼結され、誘電ガラスセラミックス組成物から構成される誘電ガラスセラミックス基板を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス材料と、バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料からなることを特徴とする誘電ガラスセラミックス組成物。
【請求項２】
前記セラミックス材料の質量百分率は４５〜７５％であり、前記バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料の質量百分率は２５〜５５％であることを特徴とする請求項１に記載の誘電ガラスセラミックス組成物。
【請求項３】
前記セラミックス材料はチタン酸ストロンチウムセラミックスであることを特徴とする請求項２に記載の誘電ガラスセラミックス組成物。
【請求項４】
前記セラミックス材料は誘電率が３０〜４０の商用誘電セラミックス粉末であることを特徴とする請求項２に記載の誘電ガラスセラミックス組成物。
【請求項５】
前記セラミックス材料の質量百分率は７０〜８０％であり、前記バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料の質量百分率は２０〜３０％であることを特徴とする請求項１に記載の誘電ガラスセラミックス組成物。
【請求項６】
前記バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料は、０〜１０質量％のバリウムと、７０〜８０質量％の酸化ホウ素と、１０〜２０質量％の酸化ケイ素と、０〜５質量％の酸化カリウムを含むことを特徴とする請求項１に記載の誘電ガラスセラミックス組成物。
【請求項７】
前記組成物は、１MHzにおける誘電率（ε）の範囲が約９〜３３であって、１MHzにおけるクオリティファクタ（Q）の範囲は４００〜６０００であることを特徴とする請求項１に記載の誘電ガラスセラミックス組成物。
【請求項８】
誘電ガラスセラミックス組成物からなり、前記誘電ガラスセラミックス組成物は、セラミックス材質とバリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料からなることを特徴とする誘電ガラスセラミックス基板。
【請求項９】
誘電ガラスセラミックス基板の製造方法であって、
セラミックス材料とバリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料を有機キャリアとともに混合する工程と、
プレモールドを成型する工程と、
前記プレモールドを低温焼結して、誘電ガラスセラミックス基板を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする誘電ガラスセラミックス基板の製造方法。
【請求項１０】
前記セラミックス材料、前記バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料、有機キャリアの混合物を約１時間乾燥させた後に圧片して、前記プレモールドを形成することを特徴とする請求項９に記載の誘電ガラスセラミックス基板の製造方法。
【請求項１１】
前記プレモールドを低温焼結する工程は、脱脂と焼結の二段階に分けられることを特徴とする請求項９に記載の誘電ガラスセラミックス基板の製造方法。
【請求項１２】
前記低温焼結工程の後、さらに、前記誘電ガラスセラミックス基板をテストする工程を含み、LCRメーターにより前記組成物の１MHzにおける低周波特性を測定するとともに、ハッキとコールマンの方法により、前記組成物の誘電率、及び、クオリティファクタを測定することを特徴とする請求項９に記載の誘電ガラスセラミックス基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電ガラスセラミックス組成物に関するものであって、特に、低温同時焼成に適用可能な誘電ガラスセラミックス組成物、誘電ガラスセラミックス基板とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯用の電子製品と移動体通信製品は、小型化、多機能性、高信頼性、低価格の方向で発展してきており、電子製品の素子密度は高まる一方である。また、能動素子と受動素子からなる回路も、集積化、オンチップパッケージ、及び、モジュール化に向けて発展している。
【０００３】
低温同時焼成セラミックス（Low Temperature Co−fired Ceramics、LTCC）技術の開発によって、電子製品の体積利用率を向上させることが可能となり、受動素子、能動素子、回路などの電気素子は、体積を縮小させるために主に多層に集積される。図１は、公知の高周波無線通信素子に使用されている基板１を示す概略断面図である。図１に示すように、基板１は、ガラスとセラミックスを用いて基材を形成した多層構造である。各層１１は、導電金属層１１１が印刷されている。抵抗器、キャパシタ、インダクタなどの電子素子１１２は、基板１に組み込まれている。導電金属層１１１は、ビア１１３を通じて各層１１の電子素子１１２と電気的に接続可能である。導電金属層１１１、或いは、電子素子１１２は、厚膜印刷技術により１つの層１１の表面に形成され、つぎに多層に張り合わされ、１０００℃以下の温度で焼結される。
【０００４】
しかし、基材は、誘電率（ε）、誘電損失（tanδ）等のパラメータにしたがって、注意深く選択される必要がある。誘電率は製作された素子の体積の大きさに影響し、誘電率が高いと素子体積が小さくなる。誘電損失が低いことは、信号エネルギーの損失が少なくクオリティファクタ（Q）が高いことを示す。また、一般の導電金属層は、低インピーダンスと低誘電損失の銀（Ag）等の金属から作製され、その後、基材と同時焼成される。しかし、銀金属の融点は９６２℃であるので、基材の選択は、基材と導電金属層が導電金属の融点温度下で同時焼成できるかどうかを考慮する必要がある。
【０００５】
これに鑑みると、本発明の１つの重要な目的は、誘電ガラスセラミックス組成物を低温で焼結でき、誘電ガラスセラミックス基板の最終製品が体積小型化、高品質、高安定性の必要条件を満たす、誘電ガラスセラミックス基板とその製造方法を提供することである。
【特許文献１】特開２００６−２９８７１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明は、低温同時焼成プロセスに適用可能であって、体積小型化、高品質、高安定化の必要条件を満たす誘電ガラスセラミックス、誘電ガラスセラミックス組成物から製造された誘電ガラスセラミックス基板、及び、その誘電ガラスセラミックス基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するため、本発明の誘電ガラスセラミックス組成物は、セラミックス材質とバリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料を含有する。そのセラミックス材料は、例えば、チタン酸ストロンチウムセラミックス粉末、或いは、商用の誘電セラミックス粉末である。
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明の誘電ガラスセラミックス基板は、誘電ガラスセラミックス組成物からなり、その誘電ガラスセラミックス組成物は、セラミックス材質とバリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料を含有する。
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明の誘電ガラスセラミックス基板の製造方法は、セラミックス材料、及び、バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料を有機キャリアで混合する工程と、セラミックス材料、バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料、有機キャリアをプレモールドとして成型する工程と、低温でプレモールドを焼結して誘電ガラスセラミックス基板を形成する工程を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
上述のように、バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料とセラミックス材料は、有機キャリアとともに誘電ガラスセラミックス組成物に混合される。好適な実施形態による誘電ガラスセラミックス基板とその製造方法において、バリウム−ホウ素−ケイ素ガラスは主に、バリウム、酸化ホウ素と酸化ケイ素を含有する。したがって、誘電ガラスセラミックス組成物の焼結温度を効果的に低下させることが可能である。さらに、従来技術で許容されていた融点よりも低い融点の導電材料をその誘電ガラスセラミックス組成物と同時焼成して、低温同時焼結技術を応用した誘電ガラスセラミックス基板を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付した図面を参照しながら、同じ素子には同じ符合を付して、本発明について詳細に説明する。
【００１２】
本発明の好適な実施例による誘電ガラスセラミックス基板は、誘電ガラスセラミックス組成物から構成される。ここで、誘電ガラスセラミックス基板は低温同時焼成セラミックス（LTCC）基板である。
【００１３】
チタン酸ストロンチウムは高い誘電率と高い共振周波数温度係数を有することは、この技術分野においてよく知られている。チタン酸ストロンチウムは以下のような性質を有する。
（１）焼結温度：１３００℃超
（２）誘電率（＠GHz）：２００
（３）温度係数：１１００ppm／℃
更に、一般の商用誘電セラミックス粉末も相当の誘電率、充分なクオリティファクタ、及び、低い共振周波数温度係数を有している。一般の商用誘電セラミックス粉末は以下のような性質を有する。
（１）焼結温度：１３５０℃
（２）誘電率（＠GHz）：３６．５
（３）クオリティファクタ（＠５．２１GHz）：１１０００
（４）温度係数（ppm／℃）：−２．８（２５℃〜１２５℃）
上述のデータから分かるように、チタン酸ストロンチウムセラミックス粉末、或いは、商用誘電セラミックス粉末の焼結温度は１３００℃よりも高く、９６２℃より低いという要求を満たすことが出来ない。且つ、温度係数が規格に符合しない。故に、本発明の好適な実施例における誘電ガラスセラミックス組成物は、セラミックス材料とバリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料を用い、その焼結温度を効果的に９６２℃より低くすることが可能であり、銀などの高導電性金属と同時焼結した高周波積層セラミックス素子が得られる。
【００１４】
セラミックス材料は、例えば、チタン酸ストロンチウムセラミックス粉末、或いは、誘電率が３０〜４０の商用誘電セラミックス粉末である。好ましくは、誘電ガラスセラミック組成物は、４５〜７５質量％のチタン酸ストロンチウムセラミックスと２５〜５５質量％のバリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料を含む。本実施例において、更に好ましくは、誘電ガラスセラミックス組成物は、６０〜７５質量％のチタン酸ストロンチウムセラミックス材料と２５〜４０質量％のバリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料を含む。或いは、誘電ガラスセラミックス組成物は、４５〜７５質量％の商用セラミックス粉末と２５〜５５質量％のバリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料を含む。最も好ましくは、誘電ガラスセラミックス組成物は、７０〜８０質量％の商用誘電セラミックス粉末と２０〜３０質量％のバリウム−ホウ素−ケイ素ガラスを含む。
【００１５】
本実施例中、バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料の組成は、０〜１０質量％のバリウム、７０〜８０質量％の酸化ホウ素、１０〜２０質量％の酸化ケイ素、及び、０〜５質量％の酸化カリウムを含む。更に、バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料の最適組成は、５質量％のバリウム、７７質量％の酸化ホウ素、１６質量％の酸化ケイ素、及び、２質量％の酸化カリウムを含む。
【００１６】
上述のように、本実施例の誘電ガラスセラミックス基板は、セラミックス材料、バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料と有機キャリアを混合することによって製造される。製作時、２９〜４９質量％のセラミックス材料、１６〜３６質量％のバリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料、３５〜４５質量％の有機キャリアを混合後、９６２℃以下の温度で同時焼結して基板を形成する。有機キャリアは粘結剤、有機溶剤、或いは、塑化剤である。本実施例中、粘結剤は、ポリエチレングリコール（PEG）、ポリビニルアルコール（PVA）、ポリビニルブチラール（PVB）である。有機溶剤は、ノルマルプロピルアルコール、エチルアルコール、或いは、メチルベンゼンである。塑化剤は、例えば、フタル酸ジブチル（DBP）である。
【００１７】
誘電ガラスセラミックス組成物の組成は、好ましくは２９〜５０質量％のセラミックス材料と、１５〜３６質量％のバリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料を含み、更に好ましくは、４０〜４５質量％のチタン酸ストロンチウムセラミックスと、２０〜２５質量％のバリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料を含み、最も好ましくは、４５〜５０質量％の商用誘電セラミックス粉末と、１５〜２０質量％のバリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料を含む。
【００１８】
本実施例中、同時焼結されてなる誘電ガラスセラミックス基板はマイクロ波通信部品、特に、内部導体層を有するフィルタ、或いは、ストリップラインフィルタなどの高周波フィルタに応用することができる。誘電ガラスセラミックス基板に用いられる電子部品において、その誘電ガラスセラミックス組成物は、１MHzにおいて、誘電率（ε）の範囲が９〜３３で、且つ、クオリティファクタ（Q）の範囲は４００〜６０００である。したがって、本実施例は、電子部品の体積を最小化し、マイクロ波通信部品の基準を満たすことができる。
【００１９】
図２で示されるように、本発明の好ましい実施例の誘電ガラスセラミックス基板の製造方法は、工程S1〜S３を有している。工程S１で、セラミックス材料、及び、バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料を有機キャリアとともに混合する。誘電ガラスセラミックス組成物は、セラミックス材料、及び、バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料からなる。工程S２で、誘電ガラスセラミックス組成物をプレモールドとして成型する。工程S３で、プレモールドを低温で焼結して誘電ガラスセラミックス基板を形成する。
【００２０】
本実施例の誘電ガラスセラミックス基板の製造方法は、工程S３の後、更に、誘電ガラスセラミックス基板をテストする工程S４を有していてもよい。
【００２１】
本実施例の誘電ガラスセラミックス組成物中、セラミックス材料とバリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料、及び、有機キャリアの材料選択、混合比率と性質特徴は上述の実施例において既に説明したので、その詳細な説明は省略する。ここで、誘電ガラスセラミックス基板は、９６２℃より低い焼結温度で同時焼成される。
【００２２】
本発明の内容をより容易に理解できるようにするため、以下の２つの実施例について説明する。
【実施例１】
【００２３】
まず、表１に示す異なる質量百分率で、チタン酸ストロンチウムセラミックスの粉末、バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料の粉末、及び、有機キャリアを混合する。つぎに、混合した１０グラムの粉末を取り出し、１０ｍｌの１−プロピルアルコール（１−propyl  alcohol）、５質量％のポリエチレングリコール２００（PEG２００）、及び、１０個の直径約１０ｍｍの酸化ジルコニウム粉砕ボールと混合する。そして、三次元カンチレバーアーム粉末混合機を用いて、約２時間混合する。つぎに、混合した粉末を８０℃で１時間乾燥させて、乳鉢と乳棒により研磨する。その後、２．５グラムの粉末を取り出して直径１５ｍｍの円形圧縮金型に入れて９MPaの圧力を１５秒印加し、混合した粉末をプレモールドに圧片する。
【００２４】
その後、プレモールドを８７５〜９００℃の大気環境下で１５〜３０分焼結する。焼結工程は二段階に分けられる。第一段階は脱脂である。即ち、５℃／分の加熱速度でプレモールドを加熱することによって、プレモールド内の有機粘結剤を緩慢に除去する。有機粘結剤を完全に除去するために、プレモールドを５００℃の温度に１時間保つ。第二段階は、５〜１５℃／分の加熱速度でプレモールドを焼結温度に加熱することによって、プレモールドを焼結するためにある。プレモールドは、焼結温度に１５〜１２０分保たれ、加熱炉内で冷却される。誘電ガラスセラミックス基板はこのように製作される。
【００２５】
焼結工程ののち、LCRメーター（LCR  meter）により１MHzにおける低周波特性を測定すると共に、ハッキ（Hakki）とコールマン（Coleman）の方法を利用して、誘電ガラスセラミックス基板中の誘電ガラスセラミックス組成物の誘電率とクオリティファクタ品質因子を測定する。本実施例で得られた結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【実施例２】
【００２７】
まず、NPO３７ミディアムセラミックスの粉末、バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料の粉末、及び、有機キャリアを表２で示される異なる質量百分率で混合する。その後、混合した１０グラムの粉末を取り出し、１０ｍｌの１−プロピルアルコール、５％のポリエチレングリコール２００（PEG  ２００）、及び、１０個の直径が約１０ｍｍの酸化ジルコニウム粉砕ボールと混合する。そして、三次元カンチレバーアーム粉末混合機を用いて、２時間混合する。つぎに、混合した粉末を８０℃で１時間焼成して、乳鉢と乳棒により研磨する。その後、２．５グラムの粉末を取り出して直径１５ｍｍの円形圧縮金型に入れて９MPaの圧力を１５秒印加し、粉末をプレモールドにプレスする。
【００２８】
その後、プレモールドを８７５〜９００℃の大気環境下で１５〜３０分焼結する。焼結工程は二段階に分けられる。第一段階は油脂を除去するためにある。即ち、５℃／分の加熱速度でプレモールドを加熱することによって、プレモールド内の有機粘結剤を緩慢に除去する。有機粘結剤を完全に除去するために、プレモールドを５００℃の温度に１時間保つ。第二段階は、５〜１５℃／分の加熱速度でプレモールドを焼結温度に加熱することによって、プレモールドを焼結するためにある。プレモールドは、焼結温度に１５〜１２０分保たれ、加熱炉内で冷却される。誘電ガラスセラミックス基板はこのように製作される。
【００２９】
その後、プレモールドを８７５〜９００℃の大気環境下で１５〜３０分焼結する。
【００３０】
焼結工程ののち、LCRメーター（LCR  meter）により１MHzにおける低周波特性を測定すると共に、ハッキ（Hakki）とコールマン（Coleman）の方法を利用して、誘電ガラスセラミックス基板中の誘電ガラスセラミックス組成物の誘電率とクオリティファクタ品質因子を測定する。本実施例で得られた結果を表２に示す。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
本実施例で得られ、テスト済みの誘電ガラスセラミックス基板は、マイクロ波通信部品、特に、内部導体層を有するフィルタ、或いは、ストリップラインフィルタなどに応用できる。上述のように、誘電ガラスセラミックス組成物の誘電率（ε）は、１MHzにおいて９〜３３の範囲であり、且つ、誘電ガラスセラミックス組成物のクオリティファクタ（Q）は、１MHzにおいて４００〜６０００の範囲である。
【００３３】
要約すると、本発明は、誘電ガラスセラミックス組成物、誘電ガラスセラミックス基板とその製造方法を開示し、誘電ガラスセラミックス組成物はバリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料とセラミックス材料を含む。バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料は主に、バリウム、酸化ホウ素、酸化ケイ素からなり、その焼結温度を効果的に低下させることができる。その結果として、低温同時焼結技術によって、バリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料と低融点の導電材料を焼結して誘電ガラスセラミックス基板を形成することができる。従来技術と比較すると、本発明は、適当な比率によりセラミックス材料とバリウム−ホウ素−ケイ素ガラス材料を混合して、好ましい誘電率、及び、クオリティファクタを得ることができる。したがって、体積を最小化したにもかかわらず、高品質で高安定性を達成することができる。
【００３４】
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変形を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の高周波無線通信素子に用いられている基板を示す概略断面図である。
【図２】本発明の好ましい実施例による誘電ガラスセラミックス基板の製造方法を示すフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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